子どもと学ぶSTEAM

Scratchで探る物理法則：座標と変数を活用した動く作品デザインとシミュレーション

はじめに：Scratchで物理の世界を再現する

お子様がScratchで基本的なプログラミングのブロックを操作できるようになりましたら、次のステップとして「物理シミュレーション」に挑戦してみてはいかがでしょうか。単にキャラクターを動かすだけでなく、重力や摩擦といった現実の物理法則をプログラミングで再現する活動は、お子様の知的好奇心を深く刺激し、より論理的で数学的な思考力を育む絶好の機会となります。

この活動では、既存のScratchの知識を応用し、座標や変数の概念を深く掘り下げながら、目に見える形で物理現象を再現します。親御さんにとっても、抽象的な物理法則がどのように具体的な動きに結びつくのかを理解し、お子様と共に探究する学びの場となるでしょう。

なぜScratchで物理シミュレーションに取り組むのか

Scratchは直感的なビジュアルプログラミング環境でありながら、その内部では数学的な計算や論理的な処理が常に実行されています。物理シミュレーションにScratchを用いることで、お子様は以下の重要な学びを得られます。

• 抽象概念の視覚化: 重力や速度といった目に見えない概念を、画面上のキャラクターの動きとして具体的に捉えることができます。
• 数学の応用: 座標、変数、演算といった基本的な数学概念が、どのように実際の動きのデザインに役立つかを体験的に理解します。
• 論理的思考の深化: 物理法則をアルゴリズムとして分解し、条件分岐や繰り返し処理を用いてプログラムとして組み立てることで、複雑な問題を段階的に解決する能力を養います。
• 試行錯誤と問題解決: 期待通りの動きにならない場合、どこに問題があるのかを考え、プログラムを修正しながら解決策を見つける過程を繰り返します。

活動の基礎：座標と変数の理解を深める

物理シミュレーションの核となるのは、座標と変数です。

1. Scratchの座標系を理解する

Scratchのステージは、中央が原点(0, 0)となるxy座標系で構成されています。 * X座標: スプライトの左右の位置を表します。右に進むと数値が増え、左に進むと数値が減ります。 * Y座標: スプライトの上下の位置を表します。上に進むと数値が増え、下に進むと数値が減ります。

この座標系を意識し、「X座標を○○にする」「Y座標を○○ずつ変える」といったブロックを意図的に使うことが、正確な動きを表現する第一歩です。

2. 変数で物理量を表現する

Scratchの「変数」ブロックは、物理シミュレーションにおいて非常に重要です。速度、加速度、重力といった物理的な量を数値として保持し、時間とともに変化させるために用います。

例えば、ボールの落下をシミュレーションする場合、以下のような変数が必要になるでしょう。 * y速度：現在のy方向の速度（下に落ちるほど負の絶対値が大きくなる） * 重力：y速度に常に加わる加速度（一定の負の値） * 摩擦：速度を徐々に減衰させる値（応用編）

実践！ボールの落下シミュレーション

ここでは、基本的なボールの落下シミュレーションから、重力、跳ね返り、摩擦の要素を段階的に導入する方法を解説します。

材料と準備

• Scratchのアカウントとプロジェクト
• ボールのスプライト（猫のスプライトを削除し、ボールのコスチュームを選択するか、自分で描きます）
• 地面のスプライトまたはステージの背景（地面の境界を認識するため）

基本のスクリプト構成

イベントブロック（例：旗がクリックされたとき）から開始し、無限ループ（ずっとブロック）の中で物理計算とスプライトの移動を行います。

// 旗がクリックされたとき
// 変数を初期化
  y速度を0にする
  重力を-1にする  // 下向きの加速度
  摩擦を0.9にする // 速度減衰率、1より小さい正の数

// 初期位置を設定
  x座標を0、y座標を150にする

// ずっと
  // y速度に重力を加える
  y速度を(y速度 + 重力)にする

  // スプライトのy座標をy速度分変える
  y座標を(y速度)ずつ変える

  // 地面との衝突判定と跳ね返り
  もし(y座標 < -150) ならば  // 地面（例: Y=-150）に到達したら
    y座標を-150にする      // 地面に固定
    y速度を(y速度 * -1 * 摩擦)にする // 速度を反転させ、摩擦で減衰
    もし(y速度 < 0.5 かつ y速度 > -0.5) ならば // 速度が十分に小さくなったら
      y速度を0にする          // 停止
    終わり
  終わり
終わり

ステップ1：重力の影響を表現する

1. 変数「y速度」と「重力」を作成します。
2. 「旗がクリックされたとき」ブロックの下で、y速度を0に、重力を-1（または任意の負の値）に初期化します。
3. 「ずっと」ブロックの中で、y速度を(y速度 + 重力)にするブロックを追加します。これにより、y速度が毎フレーム重力の影響を受けて変化します。
4. 次に、y座標を(y速度)ずつ変えるブロックを配置し、スプライトが計算された速度で移動するようにします。

この段階で実行すると、ボールは加速しながら画面外に落下していきます。

ステップ2：地面との衝突と跳ね返り

落下するボールが地面で止まるか、跳ね返るようにします。

1. 地面となるY座標（例：-150）を設定します。
2. 「ずっと」ブロックの中に「もし〜ならば」ブロックを入れ、y座標 < -150という条件を設定します。
3. 条件が真の場合、以下の処理を実行します。
   • y座標を-150にする：ボールが地面の下にめり込まないように位置を修正します。
   • y速度を(y速度 * -1)にする：y速度を反転させることで、ボールが上方向に跳ね返るようにします。

この段階で、ボールは地面で永遠に跳ね返り続けます。

ステップ3：摩擦や空気抵抗の導入（応用）

現実の跳ね返りでは、エネルギーが徐々に失われ、最終的に停止します。これを「摩擦」や「空気抵抗」としてシミュレーションに導入します。

1. 変数「摩擦」を作成します。 値は0.7から0.9程度の、1より小さい正の数を推奨します。
2. ステップ2の跳ね返り処理の中で、y速度を(y速度 * -1)の代わりにy速度を(y速度 * -1 * 摩擦)とします。これにより、跳ね返るたびにy速度の絶対値が減少します。
3. さらに、ボールの速度が非常に小さくなった場合に完全に停止させる条件を追加します。
   • もし(y速度 < 0.5 かつ y速度 > -0.5) ならば
     • y速度を0にする

これにより、ボールは減衰しながら跳ね返り、最終的に地面で静止する動きを再現できます。

ステップ4：斜面の動きや複数の物体（発展）

この基本を応用して、さらに複雑なシミュレーションに挑戦できます。

• 斜面での動き: X方向の速度も導入し、重力をX方向とY方向に分解して計算します。角度の概念や三角関数（Scratchには直接的な三角関数ブロックはありませんが、サイン・コサイン関数を自作するか、角度変換で表現できます）の基礎に触れるきっかけになります。
• 複数のボールの衝突: 各ボールに個別の速度変数を持ち、衝突時の速度変化を計算するアルゴリズムを導入します。難易度は高まりますが、プログラミングにおけるオブジェクト指向的な考え方の入り口にもなり得ます。

この活動で育めるSTEAM的視点

このScratchを使った物理シミュレーションは、様々なSTEAM分野の要素を統合した学びを提供します。

• Science (科学): 重力、運動の法則、慣性、摩擦、エネルギー保存の法則（減衰の表現）といった物理の概念を、具体的な動きとして観察し理解します。なぜそう動くのか、という科学的な問いを探求する姿勢を育みます。
• Technology (技術): プログラミングを通じて、抽象的な法則を具体的な指示の羅列（アルゴリズム）に変換する技術を習得します。変数の使い方や条件分岐、ループ処理といったプログラミングの基礎が、シミュレーションという目的に沿って実践的に活用されます。
• Engineering (工学): どのようにすれば現実の物理現象を正確に、あるいはそれらしく再現できるか、という問題解決のアプローチを考えます。試行錯誤を繰り返し、プログラムを修正して目標の動作に近づけていく過程は、まさに工学的な設計プロセスです。
• Art (芸術): シミュレーションのグラフィックデザイン、スプライトの動きの滑らかさ、背景のデザインなど、視覚的な要素を通じて表現の面白さや美しさを追求する機会も生まれます。特に物理法則を忠実に再現することで生まれるリアリティは、一種の芸術表現とも言えます。
• Mathematics (数学): 座標系、変数、加減乗除といった演算は、すべて数学的な概念です。速度の変化を計算する際など、数学がどのように具体的な現象を記述し、予測するために使われるかを体験的に学びます。

親が学びを深めるためのヒント

お子様の学びをサポートし、親御さん自身も学びを深めるために、以下の点を意識してみてください。

• 現実世界との比較: シミュレーションの動きを見ながら「本物のボールはどう動くかな？」「何が違うかな？」と問いかけ、現実の現象を観察する目を養わせましょう。公園でボールを投げてみたり、水に浮かせたりする活動と連動させると、より深い理解に繋がります。
• 物理学の入門書や動画の活用: 親御さん自身が物理学の基本的な概念（運動方程式、加速度、エネルギーなど）について学ぶことで、お子様への説明やヒント出しがより的確になります。子供向けの科学書も参考になります。
• 難易度調整の提案:
  • 難易度を下げる場合: 最初は「y座標を-1ずつ変える」など、単純な動きから始め、徐々に速度や重力の概念を導入します。地面との衝突も、まずは「ぶつかったら止まる」だけのシンプルな処理から始めると良いでしょう。
  • 難易度を上げる場合: 重力だけでなく、空気抵抗、風の影響（x速度の変化）、バネの動き、振り子など、より複雑な物理現象に挑戦します。Scratchのクローン機能を使って、複数のボールが衝突するシミュレーションに発展させることも可能です。
• アイデアを広げる: シミュレーションした物理現象が、実際の生活や技術でどのように応用されているかを一緒に考えてみましょう。例えば、車のサスペンション、ロケットの軌道計算、ゲームのキャラクターの動きなど、身近な例を挙げることで、学びがより具体的になります。

まとめ：プログラミングで世界を理解する一歩を

Scratchでの物理シミュレーションは、プログラミングスキルを向上させるだけでなく、科学的な視点で世界を理解し、数学的な思考を養うための強力なツールです。お子様が自分だけの物理世界を創造し、その中で様々な実験を繰り返すことで、知的な探求心と問題解決能力が大きく育まれるでしょう。

この活動を通じて、お子様がデジタルと現実世界を結びつけ、STEAMの奥深さを実感する一助となれば幸いです。親子の対話と共同作業の中で、ぜひこの発展的な学びを楽しんでください。